风电机组的控制及并网11

1、风电机组的控制及并网等问题的研究 黄守道黄守道湖南大学电气与信息工程学院湖南大学电气与信息工程学院一 前言v1、风力发电研究的背景和意义 风力发电是电力可持续发展的最佳战略。技术创新使风电技术日益成熟，具有市场竞争能力，风电作为一项高新技术产业而将带来的巨大前景。风力发电将能迅速缓解我国能源急需和电力短缺的局面，是解决边远农村供电的重要途径，减少资源消耗和环境污染,减少温室气体等有害气体的排放,缓解全球变暖,保护环境，有着巨大的社会效益和经济效益,中央把风力发电自主创新提高到战略高度，风力发电技术的研究和产业化对于我国的发展具有深远的意义。v近年来，风力发电在技术上日趋成熟，商业化应用不断提高

2、，同时，风力发电的成本也在不断降低，这为充分利用风能提供了诸多有利条件。现就当前流行的几种风电系统的控制方式和风电机组并网的相关问题做下简单介绍二 变速恒频风力发电系统v风力发电技术经历了从恒速恒频风电系统到变速恒频风电系统的演变过程。早期的风电系统中大多采用恒速恒频风电系统，恒速恒频风电系统的发电机转速保持不变，其运行范围比较窄，因此逐步被后来的变速恒频系统所取代。变速恒频风电系统的发电机的转速能随风速的变换而变换，能够按照最佳效率运行，变速恒频发电系统是当今风电系统发展的一个趋势。 变速恒频指在风力发电过程中发电机的转速可随风速变化，而通过其他控制方式来得到恒频电能。采用变速恒频发电方式,

3、就可按照捕获最大风能的要求,在风速变化的情况下实时地调节风力机转速,使之始终运行在最佳转速上,从而提高了机组发电效率,优化了风力机的运行条件。 图2.1 变速恒频风力发电系统框图 (1)风力机把风能转化为动能。(2)变速齿轮箱进行转速转换，将风力机的低转速转化为发电机运行所需要的高转速。(3)风力发电发电机把风力机输出的机械能转变为电能。(4)发电机侧变流器由自关断器件（如GIR、IGBT、GTO等）构成的AC/DC变流器，采用一定的控制方法将发电机发出的变频的交流转换为直流。(5)直流环节：一般直流环节的电压控制为恒定。(6)网侧变流器由自关断器件构成的DC/AC变流器，采用某种控制方法使直

4、流电转变为三相正弦波交流电（如50Hz、690V的三相交流电），并能有效的补偿电网功率因数。(7)变压器通过变压器以及一些开关设备和保护设备，把电能变为高压交流电（如11kV或33kV等）。2.1 变速恒频风力发电系统的分类 v在变速恒频风电系统中，主要有以下几种风电系统：(a)永磁直驱风力发电系统; (b)绕线转子型异步双馈风力发电系统;(c) 异步电机风力发电系统;(d)无刷双馈风力发电系统; 但目前应用较为广泛且较有发展前景的主要是双馈式和永磁直驱式。 图2.2 永磁直驱风力发电系统v永磁直驱式风电系统的风轮与永磁同步发电机直接相连，无需升速齿轮箱，同时转子为永磁式结构，无需励磁绕组，因

5、此不存在励磁绕组的损耗，提高了效率。另外转子上没有滑环，运行更加安全可靠。v缺点是永磁体增加了电机的成本，永磁物质具去磁性，并且电机的功率因数不可控。 永磁直驱式风电系统是未来风电系统发展的一个重要方向。 图2.3 绕线转子型异步双馈风力发电系统v它的优点是： 1：减小了逆变器损失，因为逆变器功率只需为整个系统总功率的1/4，这是因为变流器只需要控制转子滑差功率。 2：减小逆变器和电磁噪声滤波损失。 3：在外部扰动下，双馈电机具有更好的鲁棒性和可靠性。v双馈电机的缺点就是使用滑环，需要定期维修，这极为不方便，尤其是用于海上风力发电时。 图2.4 异步电机风力发电系统v使用异步电机具有以下优点：

6、1：异步电机相当结实，无电刷，可靠，经济而普遍。2：整流器可产生用于电机的可调励磁。3：快速瞬态响应。4：当有剩余容量时，逆变器可作为无功或谐波补偿器。v它的缺点主要有：1：复杂的系统控制（FOC），其性能依靠对于电机参数的了解，而电机参数是随温度和频率而变化。2：为了满足电机的磁场需要，定子侧变流器容量要比额定功率高3040%。 图2.5 无刷双馈风力发电系统v这种采用无刷双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，降低变频器的容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。 变速恒频风力发

7、电系统的特点是风力机和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。可以通过适当的控制，使风力机的转速可变，使风力机的尖速比处于或接近于最佳值，从而最大限度的利用风能。2.2 变速恒频机组的控制图2.6 风力机的输出功率与发电机转速的关系图v变速恒频风力发电机组的运行分三个阶段。(1)起动阶段。发电机转速从静止上升到切入速度。在切入速度以下，发电机并没有工作，机组在风力作用下作机械转动，并不涉及发电机变速的控制。(2) 在变速运行阶段。发电机转速被控制以跟踪风速的变化，从而获取最大的能量。(3)功率恒定阶段。在额定风速以上，风力发电机组的机械和电气极限要求转子速度和输出功率维持在限定值

8、以下。 图2.7 变速恒频风力发电机组的主控制框图根据变速风力发电机组在不同区域的运行将基本控制策略确定为：(1)低于额定风速时，通过对变频器进行控制，从而控制发电机的电磁转矩，以改变发电机的转速，从而能在在变速运行区域跟踪曲线，风力发电机受到给定的功率-转速曲线控制，获得最大能量。(2)风力机在高于额定风速时，进入功率恒定区，通过对桨距角和发电机的电磁转矩的控制，跟踪曲线，并保持输出稳定。图2.8变速恒频风力机的输出功率与风速的关系图三三 基于双基于双PWM的永磁直驱式风力的永磁直驱式风力发电系统的并网控制发电系统的并网控制v由于风速的随机性，输入到发电机的能量也在不断地变化，然而，同步发电

9、机的转速和电网频率之间是刚性耦合的，不可直接并网。现在一般采取的方法是在同步发电机和电网之间采用交-直-交变频系统，使得这一问题得到解决，该系统有以下优点：v1、由于采用交-直-交变频系统，使发电机组工作频率与电网频率相互独立，因此不必担心并网时可能出现的失步问题。发电机可以运行在不同转速下，最大限度地捕捉风能。v2、采用变频装置进行输出控制，并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响。v目前在变速恒频发电领域中，直驱永磁同步发电机组较受欢迎。永磁同步电机结构简单，没有励磁绕组，节省了电机的用铜量，无电刷，无滑环，消除了转子损耗，运行可靠。直驱永磁同步发电机与风力机直接耦合，省去了变速箱，提高可靠

10、性，减少系统噪声，降低了维护成本。是未来风电机组发展的一个重要方向。 图3.1 基于双PWM的永磁直驱风力发电系统图 采用了低速（多级）交流同步永磁发电机，因此在风力机与交流发电机之间不需要安装升速齿轮箱 。优点主要有以下：(1)不采用齿轮箱，使机组的工作寿命更加有保障。(2)避免了齿轮箱部件的维修及更换。(3)由于发电机具有大的表面，散热条件更加有利，可以使发电机运行时的温升降低，减小发电机温升的起伏。(4)使用这种风力发电结构，在低风速时也具有较高的效率。 采用PWM整流器可以对功率因数进行控制，从而降低了发电机的铜耗和铁耗，并且PWM整流器可提供几乎为正弦的电流，因而减少了发电机侧的谐波

11、电流。直流环节并有一大电容，可维持电压恒定。电网侧串联电感可用于滤波。通过控制系统的控制，将永磁电机发出的变频变幅值电压通过网侧逆变器转化为可用的恒频电压，并达到俘获最大风能的目的。 图3.2 永磁直驱变速恒频风力发电系统控制框图v对于发电机侧的整流器，在同步旋转(d,q)坐标系中采取电流矢量解耦控制，从而可以独立控制有功无功电流，实现无静差控制。控制结构如图3.2所示,采用速度外环，电流内环双环控制方式。其中外环速度参考值由最大功率点跟踪算法得出,它根据发电机实际转速和输出有功功率的变化得出一个最优的参考速度，发电机在该转速下运行便能获得最大的能量。 v参考速度w*与实际电机速度w相比较，通

12、过比例积分控制器得到有功电流参考iq*。令无功电流参考id=0，由于发电机转矩T=kiq，即发电机电磁转矩与有功电流iq成正比，可以通过调节iq跟从iq*来控制发电机转矩，从而改变发电机转速w，保证发电机转速为给定的最优转速的w* 。 v通过逆变器控制，保持了直流电压的恒定，使其能稳定的向电网输送电能，并且通过电流内环解耦控制，逆变器输出电流与电网电压的频率始终为一致，在电网正常运行时，当无功需求为0时能保持功率因素为一，并且在特殊情况时能向电网提供无功功率。v其中给定直流电压Ud*与实际检测到的直流连接环电压Ud相比较，所得误差信号经比例积分控制器调节产生有功参考电流iq*，而无功功率外环产

13、生无功电流id*。电压环外环控制直流电压稳定，可以使逆变器稳定地向电网传输功率，而无功功率环控制逆变器输出无功功率，从而满足电网对于无功功率的要求。电流内环依然采用基于旋转坐标轴的解耦控制，采用比例积分调节器作为电流环的控制器。 v通过电流内环的调节作用可得到控制整流器所需的电压信号，采用SPWM调制法对其进行调制，即信号波与三角载波进行比较得开关信号Su,Sv,Sw对IGBT开关进行关断和开通，即可实现控制目的。也可以采用空间矢量PWM调制法(SVPWM)对其进行调制。无论是在减小电动机电流谐波损耗，消除转矩波动，提高控制系统性能，还是从逆变器直流侧电压利用率方面看，采用空间矢量方法调制都具

14、有明显的优势。 v采用Matlab7.0中Simulink根据PWM整流器的数学模型以及控制模型对系统进行建模仿真。取仿真参数为电机侧交流电压为500v，频率为10赫兹，给定直流电压U*为1300v，电网侧交流电压为220V，频率为50赫兹。 图3.3 直流电压Udc仿真图00.050.10.150.20.250.30.350.4-100100300500700900110013001500tUdc从图3.3可以看出，在PWM控制下实际的直流电压Udc迅速跟从给定的Udc*=1300V，保持了直流连接电压为恒定值。v图3.4 发电机输出的电压和电流仿真图00.020.040.060.080.1

15、0.120.140.160.180.2-500-400-300-200-1000100200300400500tUeu,ieu图3.4为发电机输出的电压Ueu和电流ieu，其频率为10赫兹，从图中可以看出，通过0.06秒时间的调节，电流迅速稳定下来，与发电机输出电压相位保持一致，即发电机侧的功率因数为1。图3.5电网侧逆变器输出电压与电网电流仿真图00.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2-250-200-150-100-50050100150200250tUsa,isa上图为电网侧输出电压Usa和输出电流isa，由图可以看出，经过逆变器的控制，输出电流由原

16、来的10赫兹变为50赫兹，与电网频率完全同步，并且同电网电压相位也保持一致，功率因数控制为一。图3.6 电网侧逆变器输出电流仿真图00.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2-30-25-20-15-10-5051015202530tisa 在00.1秒时，电网侧给定交流电流的幅值大小为给定is*=20A，在0.1秒以后，突然变化为25A。从图可以看出当给定is*发生变化时，通过直接电流PWM控制，电网电流的幅值能即时从20A变化到25A，跟从给定电流的变化，具有非常好的调节效果。四四 双馈风电机组的控制及并网双馈风电机组的控制及并网图图4.1 双馈风电机组的

17、控制原理图双馈风电机组的控制原理图4.1 双馈风电机组的控制原理双馈风电机组的控制原理v交流励磁变速恒频发电是在双馈电机的转子中施加转差频率的电压(或电流)进行励磁,调节励磁电压的幅值、频率和相位,实现定子恒频恒压输出。交流励磁变速恒频发电系统原理性示意图如上图所示，发电机为三相绕线式异步发电机,定子绕组并网,转子绕组外接三相转差频率变频器实现交流励磁。当发电机转子旋转频率fm变化时,控制转子励磁电流频率f2确保定子输出频率f1恒定。设p为极对数,则有 f1 = pfm f2 在不计铁耗和机械损耗的情况下, 可以得到双馈发电机的能量流动关系v式中, Pmech 转子轴上输入的机械功率; Pf

18、转子回馈功率; P1 定子输出功率; Pcu1 定子绕组铜耗; Pcu2 转子绕组铜耗; s转差率。在忽略定、转子绕组铜耗条件下,可近似为 Pf sP1112112()mechfcucufcucuPPPPPPs PPPv由此可知, 当发电机处于亚同步速运行时, s 0, Pf 0,变频器向转子绕组送入有功功率;当发电机处于超同步速运行时, s 0, Pf 0,转子绕组向变频器送入有功功率;当发电机处于同步速运行时, s = 0, Pf = 0,变频器不向转子绕组提供有功功率。4.2 双馈发电机交流励磁用变频器双馈发电机交流励磁用变频器图图4.2 双双PWM变频器主电路变频器主电路v交流励磁双馈

19、发电机励磁变频器的结构如图所示。它分别由两个“背靠背”连接的电压型PWM变换器(分别记为转子侧变换器和网侧变换器,总称为双PWM变换器)对转子进行励磁,转子侧变换器向转子绕组馈入所需的励磁电流,完成定子励磁定向矢量控制任务,实现最大风能捕获和定子输出无功的调节。当电机亚同步速运行时,往转子中注入能量,作逆变器运行;当电机超同步速运行时,从转子中吸收能量,作整流器运行,并通过网侧变换器将能量回馈到电网;当电机以同步速运行时,向转子馈入直流励磁电流,实际作为斩波器运行。网侧变换器运行模式与此类似,配合转子侧变换器的运行,实现能量双向流动。此外,网侧变换器还需控制直流母线电压恒定以及调节网侧的功率因

20、数,使整个风力发电系统的无功调节更加灵活。4.3 双馈风电机组的控制图图4.3 双馈风电机组的控制框图双馈风电机组的控制框图A B C电网v采用磁场定向矢量控制技术实现发电机的功 率解耦控制，有功功率P无功功率Q 分别与定子电流在m、t 轴上的分量成正比调节转矩电流分量it1和励磁电流分量im1可分别独立地调节P和Q，实现功率解耦控制。4.4 双馈风电机组的并网v发电机并网条件为：定子电压和电网电压的幅值频率以及相位相同。发电机并网控制就是在并网之前调节定子电压，满足并网条件后进行并网操作。发电机并网前定子空载，并网控制的实质就是依据电网电压（频率相位和幅值）信息，通过变换器调节转子的励磁电流

21、，调节发电机定子电压符合并网条件v在双馈风电系统中，发电机与网侧是柔性连接关系，可通过调节转子励磁电流实现软并网，避免并网时发生的电流冲击和过大的电压波动。v双馈风力发电机组的并网方式主要有： (1)空载并网空载并网 (2)带独立负载并网带独立负载并网 (3)孤岛并网孤岛并网空载并网空载并网空载并网方式并网前发电机不带负载,不参与能量和转速的控制。为了防止在并网前发电机的能量失衡而引起的转速失控,应由原动机来控制发电机组的转速。有文献介绍了双馈电机空载并网控制，将矢量变换技术移植到发电机并网控制上，提出了一种基于定子磁链定向方式的空载并网控制策略。图4.4给出了该种控制策略的控制框图。交流发电

22、机并网条件是发电机输出电压和电网电压在幅值频率以及相位上完全相同。因而并网之前应对发电机的输出电压进行调节，当满足并网条件时进行并网操作。图图4.4空载并网控制空载并网控制v带独立负载并网方式并网前接有负载,发电机参与原动机的能量控制,表现在一方面改变发电机的负载、调节发电机的能量输出,另一方面在负载一定的情况下,改变发电机转速的同时,改变能量在电机内部的分配关系。前一种作用实现了发电机能量的粗调,后一种实现了发电机能量的细调。带独立负载并网方式,发电机具有一定的能量调节作用,可与原动机配合实现转速的控制,降低了对原动机调速能力的要求,但控制复杂,需要进行电压补偿和检测更多的电压、电流量。 带独立负载并网方式轻型直流输电技术（HVDC Light）在风力发电系统中的应用v轻型直流输电（HVDC Light）技术是在电压源换流器（VSC）技术和全控型功率器件（GTO、IGBT、IGCT等）基础上发展起来的一种直流输电新技术，与传统直流输电比较，具有采用无源逆变工作方式，克服了传统直流输电受端必须是有源网络的根本缺陷；可以实现有功和无功的独立控制，控制灵活方便；不需要交